Aerotaxis and the collective spreading of social and asocial amoebae

Aérotaxis et la propagation collective des amibes sociales et asociales

• Auteur / Autrice : Nasser Ghazi
• Direction : Jean-Paul Rieu, Christophe Anjard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2024
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Violaine Sée
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Paul Rieu, Christophe Anjard, Olivier Théodoly, Nicolas Desprat, Carine Douarche
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Théodoly, Nicolas Desprat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Amibes

Équations de réaction-diffusion

Dictyostelium discoideum

Mots clés libres

Cellules

Oxygène

Hypoxique

Dynamiques

Aerotaxis

Densité

Cells

Oxygen

Hypoxia

Dynamics

Aerotaxis

Density

Résumé

Cette thèse étudie les mécanismes de l'aérotaxie—le mouvement dirigé en réponse aux gradients d'oxygène—chez l'amibe sociale Dictyostelium discoideum (Dd) et l'amibe asociale Acanthamoeba castellanii (Ac). En combinant des observations expérimentales avec la modélisation réactiondiffusion (RD), nous explorons comment ces organismes réagissent à l'hypoxie et comment leurs comportements collectifs émergent. En commençant par Dd, nous développons davantage le flux aérotactique en utilisant des données expérimentales et l'intégrons dans un modèle RD qui simule avec succès la formation et la propagation d'anneaux cellulaires observés dans des essais spot confinés en raison de gradients d'oxygène auto-générés. Une analyse systématique des paramètres du modèle RD révèle leurs influences respectives sur la propagation aérotactique collective. En étendant notre étude de l'aérotaxie à Ac, nous constatons qu'une densité cellulaire accrue chez Ac conduit à une diminution de la motilité en raison d'effets induits par les collisions, que nous modélisons en utilisant la théorie du libre parcours moyen. Dans les essais de confinement, les cellules d'Ac affichent également une propagation aérotactique collective entraînée par des gradients d'oxygène auto-générés ; à haute densité, une bande dissipative et des cellules leaders émergent, et à faible densité, des cellules se déplaçant de manière balistique s'éloignent de la colonie initiale. En incorporant dans le modèle RD des coefficients de diffusion et des potentiels aérotactiques dépendant de la densité, obtenus expérimentalement, nous simulons avec précision ces comportements observés.

This thesis investigates the mechanisms of aerotaxis—the directed movement in response to oxygen gradients—in the social amoeba Dictyostelium discoideum (Dd) and the asocial amoeba Acanthamoeba castellanii (Ac). Combining experimental observations with reaction-diffusion (RD) modeling, we explore how these organisms respond to hypoxia and how their collective behaviors emerge. Starting with Dd, we further develop the aerotactic flux using experimental data and integrate it into our RD model that successfully simulates the formation and propagation of cell rings observed in confined spot assays due to self-generated oxygen gradients. A systematic analysis of the RD model parameters reveals their respective influences on collective aerotactic spreading. Extending our investigation of aerotaxis to Ac, we find that increased cell density in Ac leads to decreased motility due to collision-induced effects, which we model using mean free path theory. In confinement assays, Ac cells also display collective aerotactic spreading driven by selfgenerated oxygen gradients ; at high densities, a dissipating band and leader cells emerge and at low densities, ballistic-like cells move away from the initial colony. By incorporating a densitydependent diffusion coefficient and aerotactic potential, obtained experimentally, into the RD model, we accurately simulate these observed behaviors.